(57)【要約】【課題】超音波加工で、被加工物に微細溝あるいは微細な窪み形状を、高能率で安価に加工することができ、しかも凹形加工部の加工精度を維持しつつ工具寿命の延長を可能にする超音波加工用工具の提供。【解決手段】強度及び剛性が互いに異なるように形成された硬質部１ａ及び軟質部１ｂが一定断面形状で延在されてなり、延在方向片端が前記超音波ホーン２に固定される固定端とされている超音波加工用工具１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ホーンの先端に取り付けて、被加工物の表面に微細溝あるいは微細な窪みである凹形加工部を超音波加工により形成するための超音波加工用工具であって、
強度及び剛性が互いに異なるように形成された硬質部及び軟質部が一定断面形状で延在されてなり、延在方向片端が前記超音波ホーンに固定される固定端とされていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項２】
前記硬質部が複数設けられ、前記軟質部が前記硬質部の間に介在されていることを特徴とする請求項１記載の超音波加工用工具。
【請求項３】
前記微細溝を複数並列に形成するための請求項２記載の超音波加工用工具であって、
前記硬質部が前記微細溝に対応する断面形状を有する板材によって形成され、前記板材よりも軟質の層状に形成された前記軟質部が前記板材同士の間に介在されるようにして硬質部と軟質部とが積層された多層構造とされていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項４】
前記板材が屈曲部あるいは湾曲部である曲げ部を有する断面形状をなしていることを特徴とする請求項３記載の超音波加工用工具。
【請求項５】
前記硬質部が屈曲部あるいは湾曲部である曲げ部を有し間隔をあけて互いに並行配置された部分が形成された断面形状をなす板材によって形成され、前記板材の互いに並行配置された部分の間に、前記板材よりも軟質の層状に形成された前記軟質部が介在されていることを特徴とする請求項１記載の超音波加工用工具。
【請求項６】
前記軟質部が、合成樹脂を用いて、前記硬質部を構成する部材である硬質材よりも軟質に形成された軟質材からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波加工用工具。
【請求項７】
請求項２〜５のいずれかに係る請求項６記載の超音波加工用工具であって、前記軟質材の前記合成樹脂が接着材であり、軟質部を介して互いに離隔させて設けられた硬質材が前記接着材によって接着されて全体が一体化されていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項８】
請求項３〜５のいずれかに係る請求項６記載の超音波加工用工具であって、前記軟質材が前記硬質材である板材の片面あるいは両面に被着されてなる積層材を１以上用いて構成されたことを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項９】
請求項２〜５のいずれかに係る請求項６記載の超音波加工用工具であって、前記硬質材と該硬質材とは別体の部材になっている軟質材とが互いに当接させて設けられていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の超音波加工用工具であって、前記軟質材は、前記合成樹脂中に薄紙が埋め込まれた構造になっていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項１１】
請求項１、２、５のいずれかに係る請求項６記載の超音波加工用工具であって、その延在方向に垂直の断面が、ひとつの軟質材中に１又は複数の前記硬質材が埋め込むようにして設けられた構造になっていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項１２】
前記硬質部は被加工物と同等以上の強度及び剛性を有し、前記軟質部は前記被加工物に比べて強度及び剛性が低いことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の超音波加工用工具。
【請求項１３】
前記硬質部を構成する部材である硬質材が金属あるいはセラミクスによって形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波加工用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被加工物の表面に微細溝あるいは微細な窪み（有底の穴）である凹形加工部を超音波加工を用いて高能率に形成するための超音波加工用工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材表面に微細な溝を加工すると、接触物との潤滑特性を改善あるいは制御することが可能となることが知られている。この微細な溝の形成による潤滑特性の改善効果を、例えば、超硬合金製やアルミナセラミクス製の金属切削用の切削工具表面に適応すると、例えば湿式切削において、微細溝が無い工具に比べて潤滑剤が工具−切りくず接触域により多く浸透するようになるから切削力を低減させることができる。また、工具−切りくず接触面積を拘束する効果により、工具表面上の摩擦力が切りくず材料の最大せん断降伏応力に飽和するようになるため、摩擦力の変動、すなわち、切削力の変動を抑制することができる（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
ところで、超硬合金やセラミクスなどの高脆材料の表面に多数の微細な溝を付加する加工法に、超精密切削加工法、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工法、放電加工法、レーザ加工法、超音波加工法などがある。
超精密切削加工法では、多数の溝を一度に加工できない、高脆材料を延性モードで切削するためには切取り厚さや送り速度を小さくしなければならないため加工能率を高くできなくなる、といった欠点がある。
フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工法は、サブナノミリオーダーの極小の微細溝を形成することが可能ではあるが、フォトマスクを工具表面に成形する工程で高価な設備を必要とし、またドライエッチング処理の場合には加工速度が遅く特殊な加工装置が必要となるため加工コストが高くなる、といった欠点がある。
放電加工法はセラミクスなどの絶縁体では加工が困難である、レーザ加工法は高エネルギを必要とするため加工コストが高い、といった欠点がある。
【０００４】
一方、超音波加工法は、延性材料にも高脆材料にも、また絶縁体にも導電体にも超音波ホーンの先端に取り付けた工具の断面形状を比較的速い加工速度で転写できるため、上記の加工法に比べて高能率にまた安価に溝形状を形成できる利点がある。
この超音波加工法では、例えば、工具の先端形状を微細な凸部が配列された形状にすれば、微細な凹形状の配列を被加工物に形成できる（例えば特許文献１）。
また、被加工物に超音波振動に対して減衰率の高い材料で溝加工したくない部分を覆い、平面形状の工具により微細な形状を形成する方法も提案されている（例えば特許文献２）。
【非特許文献１】榎本俊之、高崎亮、微細表面形状を有する切削工具の開発  超硬工具によるアルミニウム合金の切削、２００７年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（２００７）  ｐｐ．２８８−２８９．
【特許文献１】特開２００７−２１１３２３号公報
【特許文献２】特開平６−３３９８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
工具先端を微細な凸部が配列された形状にして超音波加工を行う場合は、現状では、工具先端形状を例えば、超精密切削加工、フォトリソグラフィ技術を活用したエッチング加工、放電加工やレーザ加工などで形成している。しかしながら、この場合、工具を製作する費用が高く付くといった問題がある。また、例えば溝幅が数μｍから数十μｍの平行溝を多数形成する場合には、工具先端は厚さが数μｍから数十μｍの薄い壁が多数個並んだ櫛状に配列された形状となることから、工具上に形成した壁の高さを壁の厚さに比べて高くすると、それぞれの壁の剛性が著しく低下するため、超音波振動による周期的な荷重の変動により壁が変形して加工精度の確保が難しくなり、特に深溝加工を行うのが困難になるといった問題もある。一方、壁の高さを厚さに比べて低くすると、工具の剛性は向上するが、工具の寿命時間が短くなり、場合によっては深溝加工には適用できなくなる問題が生じる。
【０００６】
被加工物を減衰率の高い材料でマスクする方法もあるが、マスキング工程にはフォトリソグラフィ技術を利用するため、加工コストが高いという問題点があることは同様である。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みて、超音波加工で、被加工物に微細溝あるいは微細な窪み形状を、高能率で安価に加工することができ、しかも凹形加工部の加工精度を維持しつつ工具寿命の延長を可能にする超音波加工用工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
第１の発明は、超音波ホーンの先端に取り付けて、被加工物の表面に微細溝あるいは微細な窪みである凹形加工部を超音波加工により形成するための超音波加工用工具であって、強度及び剛性が互いに異なるように形成された硬質部及び軟質部が一定断面形状で延在されてなり、延在方向片端が前記超音波ホーンに固定される固定端とされていることを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第２の発明は、前記硬質部が複数設けられ、前記軟質部が前記硬質部の間に介在されていることを特徴とする第１の発明の超音波加工用工具を提供する。
第３の発明は、前記微細溝を複数並列に形成するための第２の発明の超音波加工用工具であって、前記硬質部が前記微細溝に対応する断面形状を有する板材によって形成され、前記板材よりも軟質の層状に形成された前記軟質部が前記板材同士の間に介在されるようにして硬質部と軟質部とが積層された多層構造とされていることを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第４の発明は、前記板材が屈曲部あるいは湾曲部である曲げ部を有する断面形状をなしていることを特徴とする第３の発明の超音波加工用工具を提供する。
第５の発明は、前記硬質部が屈曲部あるいは湾曲部である曲げ部を有し間隔をあけて互いに並行配置された部分が形成された断面形状をなす板材によって形成され、前記板材の互いに並行配置された部分の間に、前記板材よりも軟質の層状に形成された前記軟質部が介在されていることを特徴とする第１の発明の超音波加工用工具を提供する。
第６の発明は、前記軟質部が、合成樹脂を用いて、前記硬質部を構成する部材である硬質材よりも軟質に形成された軟質材からなることを特徴とする第１〜５のいずれかの発明の超音波加工用工具を提供する。
第７の発明は、第２〜５の発明のいずれかに係る第６の発明の超音波加工用工具であって、前記軟質材の前記合成樹脂が接着材であり、軟質部を介して互いに離隔させて設けられた硬質材が前記接着材によって接着されて全体が一体化されていることを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第８の発明は、第３〜５の発明のいずれかに係る第６の発明の超音波加工用工具であって、前記軟質材が前記硬質材である板材の片面あるいは両面に被着されてなる積層材を１以上用いて構成されたことを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第９の発明は、第２〜５の発明のいずれかに係る第６の発明の超音波加工用工具であって、前記硬質材と該硬質材とは別体の部材になっている軟質材とが互いに当接させて設けられていることを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第１０の発明は、第７〜９の発明いずれかの超音波加工用工具であって、前記軟質材は、前記合成樹脂中に薄紙が埋め込まれた構造になっていることを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第１１の発明は、第１、２、５の発明いずれかに係る第６の発明の超音波加工用工具であって、その延在方向に垂直の断面が、ひとつの軟質材中に１又は複数の前記硬質材が埋め込むようにして設けられた構造になっていることを特徴とする超音波加工用工具を提供する。
第１２の発明は、前記硬質部は被加工物と同等以上の強度及び剛性を有し、前記軟質部は前記被加工物に比べて強度及び剛性が低いことを特徴とする第１〜１１のいずれかの発の超音波加工用工具を提供する。
第１３の発明は、前記硬質部を構成する部材である硬質材が金属あるいはセラミクスによって形成されていることを特徴とする第１〜１２のいずれかの発明の超音波加工用工具を提供する。
【０００９】
本発明に係る超音波加工用工具は、被加工物表面方向に対して、超音波工具の断面の機械的特性を、被加工物に形成する微細溝形状に応じて高強度領域（硬質部）と低強度領域（軟質部）とに分割した構成になっている。硬質部と軟質部とは一定断面形状で延在されている。また、硬質部は、被加工物に形成する凹形加工部の形状に対応する断面形状になっている。
本発明に係る超音波加工用工具は、換言すれば、加工物に形成する凹形加工部の形状に対応する断面形状で延在する部分（以下、工具材部とも言う）以外に、前記工具材部よりも軟質の軟質部を具備し、前記軟質部と該軟質部よりも硬質（軟質部に比べて相対的に硬質）の部分である工具材部（これを硬質部と称する）とが一定断面形状で延在された構造になっている。
【００１０】
本発明に係る超音波加工用工具は湿式の超音波加工に用いて好適であるが、乾式の超音波加工にも用いることができる。
本発明に係る超音波加工用工具を用いた湿式の超音波加工は、超音波ホーン先端に取り付けた工具（超音波加工用工具）先端と被加工物とを微細な砥粒を含んだスラリーの中に浸した状態にて、超音波ホーンから工具に振動エネルギを与えて工具を周波数数十ｋＨｚで被加工物の加工面に対して主に上下に振動させ、振動エネルギを加工面に対して垂直に作用させる。工具の先端面（以下、工具面とも言う）と被加工物表面の間には微細な砥粒が存在する。工具が超音波振動すると、工具面と被加工物表面の間の微細な砥粒も超音波で振動することになる。
【００１１】
ところで、全体が同一の材質で形成された工具を使用した超音波加工を想定するとき、工具の強度や剛性が被加工物の強度や剛性に比べて著しく低くない場合には、超音波振動のエネルギが充分に砥粒に伝達され、砥粒が被加工物の表面を有効に打撃し、徐々に被加工物の表面を削り取る。同時に、工具側も徐々に削り取られるが、工具の高さ、すなわち被加工物の表面に対して垂直方向の工具の長さを長くすれば、工具を長時間連続的に使用でき、深溝加工を実現できる。
一方、工具の強度や剛性が被加工物の強度や剛性に比べて著しく低い場合には、砥粒に充分に振動のエネルギが伝達されなくなり、また砥粒が被加工物を打撃するよりも強度や剛性が低い工具の方を打撃し、砥粒が工具を侵食あるいは工具の内部へ侵入する割合が高くなることにより、被加工物への侵食は大きくならない。
【００１２】
本発明に係る超音波加工用工具は、硬質部の強度及び剛性が被加工物と同等あるいは被加工物よりも高いことが好ましい。このような硬質部は、その強度や剛性が被加工物の強度や剛性に比べて著しく低くないものであることは言うまでも無い。一方、軟質部については、強度や剛性が被加工物に比べて低く被加工物に比べて軟質のものを採用するが、特に、強度や剛性が被加工物に比べて著しく低く、被加工物に比べてかなり軟質に形成されていることが好ましい。
【００１３】
強度や剛性が被加工物と同等あるいは被加工物よりも高く被加工物と同等以上の硬さを有する硬質部と、強度や剛性が被加工物に比べて著しく低く被加工物に比べてかなり軟質に形成された軟質部とを具備する超音波加工用工具を、上述のスラリー中での被加工物の超音波加工に使用したとき、硬質部の方が軟質部に比べて、砥粒への超音波振動のエネルギの伝達効率が高くなり、その結果、被加工物において硬質部に対面する部位では、軟質部に対面する部位に比べて、砥粒が被加工物の表面を有効に打撃し、それによる被加工物表面の削り取りが効率良く行われる。軟質部から砥粒への振動のエネルギの伝達は充分になされず、また砥粒が被加工物を打撃するよりも強度や剛性が低い軟質部の方を打撃し、砥粒が軟質部を侵食あるいは軟質材の内部へ侵入する割合が高くなることにより、砥粒の被加工物への侵食は大きくならない。被加工物表面の削り取りに伴い硬質部側も徐々に削り取られるが、工具の高さ、すなわち被加工物の表面に対して垂直方向の工具の長さを長くすれば、工具を長時間連続的に使用でき、深溝加工を確実に実現できる。
結果的に、硬質部のみが被加工物を加工し、軟質部は被加工物に大きな損傷を与えない。しかも、軟質部が硬質部を支えて曲がりを抑える支持材の如く機能し、工具剛性を高めることが可能である。このため、工具全体では高い工具剛性を維持したまま凹形加工部の加工を行え、高い加工精度を維持したまま、被加工物表面から深い位置まで凹形加工部を加工できるようになる。
【００１４】
被加工物の材質としては、例えば超硬合金、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム合金等の金属、セラミクス、ガラス等の脆性材料を挙げることができる。
このような材質からなる被加工物に凹形加工部を形成するための本発明に係る超音波加工用工具としては、例えば、金属あるいはセラミクスからなり強度や剛性が被加工物と同等あるいは被加工物よりも高く被加工物と同等以上の硬さを有する硬質部と、合成樹脂製の軟質部（強度や剛性が被加工物に比べて著しく低く被加工物に比べてかなり軟質に形成された軟質部）とを具備する構成のものを採用できる。
【００１５】
また、本発明に係る超音波加工用工具は、被加工物に形成する凹形加工部の形状に対応する断面形状で延在する硬質部と、この硬質部よりも軟質に形成された軟質部とが、一定断面形状で延在する構成であればよく、簡単かつ高効率で安価な製造方法により得ることが可能である。例えば、被加工物に形成する凹形加工部の形状に対応する断面形状で延在し硬質部を構成する部材である硬質材と、軟質部を構成する合成樹脂製の部材である軟質材とを接着、圧接等によって一体化する製造方法や、前記硬質材を金型内に配置した状態で前記金型内に注入した液状樹脂材料を硬化させ合成樹脂を成形するインサートモールド成形によって得ることが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超音波加工用工具によれば、被加工物に形成する凹形加工部の形状に対応する断面形状で延在する硬質部と、この硬質部よりも軟質に形成された軟質部とが、一定断面形状で延在する構成であるため、超精密切削加工、フォトリソグラフィ技術を活用したエッチング加工、放電加工やレーザ加工などを使用することなく製造することができる。このため、高能率で安価に製造することができる。
しかも、この超音波加工用工具によれば、軟質部によって工具剛性を高めることができるため、凹形加工部の加工精度を維持しつつ工具の長さを長くすることが容易となり、凹形加工部の加工精度を維持しつつ工具寿命を延長することが可能となる。形成する凹形加工部の深さを深くすることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施した超音波加工用工具について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る１実施形態の超音波加工用工具１（以下、単に工具とも言う）を超音波ホーン２に取り付けた状態を示す図（正断面図）、図２は図１のＡ−Ａ線断面矢視図、図３は前記工具１を使用した湿式の超音波加工を説明する図、図４は図３の超音波加工による凹形加工部の加工原理を説明する図である。
【００１８】
図４に示すように、前記工具１は、被加工物４に溝幅が数μｍから数十μｍの溝５（凹形加工部）を互いに平行に一度に複数本（図示例では５本）形成するための超音波加工用工具である。
図１、図２に示す工具１は、図示例の工具１は、エポキシ樹脂系などの液状の接着材を薄紙に含浸させてなる接着材含浸シートを用いて、板状の硬質板１ａ（板材。以下、硬質板とも言う）同士を貼り合わせて、複数の硬質板１ａを積層したものであり、接着材含浸シートの接着材が硬化してなる軟質材１ｂと硬質板１ａとが、硬質板１ａ同士の間に前記軟質材１ｂが介在されるようにしてそれぞれ複数積層された多層構造になっている。
図示例では、５つの硬質板１ａと４つの軟質材１ｂとを積層した構成の積層工具１を例示しているが、工具１を構成する硬質板１ａ及び軟質材１ｂの数はこれに限定されるものでは無い。
【００１９】
軟質材１ｂは、該工具１の硬質材（硬質板１ａ）同士を接着する接着材層（合成樹脂層）として機能する。この工具１は、軟質材１ｂを介して両側の硬質板１ａが軟質材１ｂによって接着され、全体が一体化された構成になっている。
また、この工具１の製造にあたっては、硬質板１ａの間に接着材含浸シートを挟み込むことで、薄紙の厚みによって、硬質板１ａ間の間隔を簡単に制御できる。
接着材の硬化によって形成される軟質材１ｂは、接着材が硬化してなる樹脂（合成樹脂）中に薄紙が埋め込まれた構成になっている。薄紙は、例えばティッシュペーパー等の柔軟性が高いものであることが好ましい。
【００２０】
被加工物４は、例えば金属、セラミクス、ガラスといった硬質の材料で形成されている部材である。
前記硬質板１ａは、被加工物４に形成する溝５の形状に対応する断面形状で延在（図１において上下が延在方向）する部材である。図１、図２に例示した工具１にあっては、平板状の硬質板１ａを採用している。
図２に示すように、この硬質板１ａ（板材）の断面は長方形状であり、その短辺方向の寸法ｐ（すなわち硬質板１ａの厚さ）が被加工物４に形成しようとする溝５の溝幅、長辺方向寸法ｑ（延在方向に垂直の断面における長手方向寸法）が前記溝５の長さに揃えられている。
この硬質板１ａは、その延在方向の全長にわたって一定断面形状に形成されている。
【００２１】
また、この硬質板１ａとしては、金属あるいはセラミクスによって形成されたものを採用する。金属あるいはセラミクスからなる硬質板１ａは、その強度及び剛性が被加工物４に比べて著しく低くない硬質部を構成するものと言える。
金属、セラミクス、ガラスのいずれかで形成された被加工物４に凹形加工部（溝５）を形成する場合、硬質板１ａ（板材）としては、例えば、汎用的に市販されている厚さ５〜１００μｍのシムシート等の薄鋼板を好適に使用できる。この薄鋼板としては、例えばＳＫ材（炭素工具鋼）からなるもの、ＳＵＳ材（ＳＵＳ：ステンレス）からなるもの等が好適である。
【００２２】
工具１の長寿命化の点では、硬質板１ａとして、その強度及び剛性が被加工物４よりも高いものを採用することがより好ましい。但し、硬質板１ａは、その強度及び剛性が被加工物４に比べて著しく低くないものであれば良く、被加工物４に比べて強度及び剛性が低いものを採用することも可能である。強度及び剛性が被加工物４と同等の硬質板１ａを採用することも勿論可能である。
【００２３】
軟質材１ｂは、上述のように接着材層（合成樹脂層）であり、その強度及び剛性が被加工物４に比べて著しく低く被加工物４に比べてかなり軟質の軟質部を構成するものと言える。
軟質材１ｂの厚さｒは、被加工物４に複数平行に形成しようとする溝５間の距離（間隔）を決める。
【００２４】
複数の硬質板１ａ（板材）は、軟質材１ｂ（合成樹脂層、接着材層）を介して互いに平行に設けられている。
軟質材１ｂは、その延在方向（図１において上下が延在方向）の全長にわたって一定断面形状に形成されている。
このため、工具１は、その全長にわたって一定断面形状を有する構成になっている。
【００２５】
図１、図３に示すように、この工具１を用いて被加工物４に凹形加工部（溝５）を形成する超音波加工は、工具１の延在方向片端を超音波ホーン２の先端に取り付けて行う。
図１、図３では、具体的には、超音波ホーン２にその先端面から窪むように形成された工具取付用凹所２１に工具１の延在方向片端と取付治具２ａとを押し込んで工具１を超音波ホーン２に取り付けている。工具１は、工具取付用凹所２１に挿入された端部以外の部分が超音波ホーン２の先端から突出された状態にする。
工具１の延在方向片端は、該工具１を超音波ホーン２に取り付けるための固定端として機能する。
【００２６】
取付治具２ａは、超音波ホーン２の工具取付用凹所２１内面と、工具取付用凹所２１に挿入した工具１との間に介挿されることで工具１に圧縮応力を作用させ、工具１を両側から締め付けるようにして工具１の超音波ホーン２からの脱落を規制するものである。取付治具２ａとしては、金属板等の硬質の部材であっても良いが、例えば樹脂板等の金属に比べて軟質の部材であっても良い。また、取付治具２ａとしては、例えば板ばねなどを用いることができる。樹脂板や板ばねは、工具１に締め付け力を作用させて工具１を超音波ホーン２に取り付けるための弾性部材として機能する。
取付部材は、超音波ホーン２から工具１への振動エネルギの伝達が効率良くなされ工具１が全体として超音波ホーン２と一体的に振動できるようにするために、工具１を締め付けて超音波ホーン２にしっかりと取り付けるための部材である。本明細書にあっては、この取り付け状態を「固定」として扱う。前記弾性部材としては、超音波ホーン２の工具取付用凹所２１内面と工具１との間に介挿された状態で弾性変形が生じない（あるいは弾性変形が極めて小さく、実質的に弾性変形しない）ものを採用する。
なお、工具１を超音波ホーン２の先端に取り付けるための構造としては、工具１が超音波ホーン２先端と一体的に振動されるように、工具１の延在方向片端を超音波ホーン２の先端にしっかりと取り付けることができるものであれば良く、上述の取付構造に限定されない。
【００２７】
図３、図４は、前記工具１を用いた湿式の超音波加工を示す。
図３、図４に示すように、この超音波加工では、超音波ホーン２先端に取り付けた工具１の先端（超音波ホーン２に取り付けられる固定端とは反対側の端部。図３、図４において工具１の下端）と被加工物４とを微細な砥粒３ａ（図４参照）を含んだスラリー３の中に浸した状態にて超音波ホーン２を振動させることで超音波ホーン２から工具１に振動エネルギを与え、工具１を周波数数十ｋＨｚで被加工物４の加工面４１に対して垂直の方向に振動させる。工具１が超音波振動すると、図４に示すように、工具１の先端面（以下、工具面とも言う）と被加工物４表面（加工面４１）の間に存在する砥粒３ａも超音波で振動することになる。
【００２８】
このとき、工具１の硬質板１ａと被加工物４との間では、軟質材１ｂと被加工物４との間に比べて、スラリー３中の砥粒３ａへの超音波振動のエネルギの伝達が効率良くなされ、その結果、被加工物４において硬質板１ａに対面する部位では、軟質材１ｂに対面する部位に比べて、砥粒３ａが被加工物４表面を有効に打撃し、それによる被加工物４表面の削り取りが効率良く行われる。軟質材１ｂと被加工物４との間の砥粒３ａでは、砥粒３ａが被加工物４を打撃するよりも、被加工物４に比べて強度や剛性が低い軟質材１ｂの方を打撃し、砥粒３ａによる軟質材１ｂの侵食あるいは砥粒３ａが軟質材１ｂの内部へ侵入する割合が高くなることにより、砥粒３ａによる被加工物４の侵食は大きくならない。この結果、被加工物４に硬質板１ａの断面に近似する溝５が形成される。凹形加工部（ここでは溝５）の加工は硬質板１ａによって行われる。なお，軟質材１ｂの強度及び剛性と被加工物４の強度及び剛性との差が大きければ、被加工物４の軟質材１ｂに対面する部位の侵食はほとんどあるいは実質的に全く生じないようにすることができる。
【００２９】
被加工物４表面の削り取り（侵食）に伴い硬質板１ａ及び軟質材１ｂも徐々に削り取られる。但し、硬質板１ａは軟質材１ｂに比べて侵食されにくい。このため、図４に示すように、硬質板１ａに比べて軟質材１ｂの侵食の方が大きくなる。
【００３０】
また、この工具１は、軟質材１ｂが硬質板１ａを支えて曲がりを抑える支持材の如く機能することで工具剛性が高められる。硬質板１ａ同士が軟質材１ｂを介して接着され一体化されている構成の工具１であれば、軟質材１ｂによる工具剛性の向上に特に有利である。このため、この工具１は高い工具剛性を維持したまま凹形加工部（ここでは溝５）の加工を行えるのであり、工具の延在方向の寸法を長くした場合の工具剛性の確保に有利であり、従来に比べて高い加工精度を確保できる加工深さを大きく（深く）することができる。
また、工具１の延在方向の寸法を長くすれば、工具１を長時間連続的に使用できる。被加工物４に形成できる溝５の深さは、被加工物４の侵食速度と工具１の摩耗速度の関係に依存するが、本発明に係る工具１は軟質材１ｂによって工具剛性を高めることができるため、所望の加工精度を確保できる延在方向の寸法を長くすることが可能である。このため、深溝加工の実現に有利である。
また、本発明に係る工具の構成であれば、上述のように軟質材１ｂによって工具剛性を高めることができるため、板厚が薄い硬質板１ａの使用に有利であり、被加工物４に形成する溝５の微細化、深溝化にも対応しやすい。
【００３１】
さらに、上記の方法で積層した工具を、押し出し加工あるいは引き抜き加工などの塑性加工により等方的にその断面形状を縮小すれば、より微細な溝形状を形成することが可能となる。
【００３２】
また、この工具１によれば、加工中、軟質材１ｂの微小な弾性変形によって複数の硬質板１ａを個別に振動させることが可能である。
このように複数の硬質板１ａが個別に上下振動可能な構成であれば、例えば硬質板１ａに微小な切り欠き部を形成（但し、超音波ホーン２に固定される固定端を構成する部分に形成）することなどによって、複数の硬質板１ａについて超音波振動のエネルギによる共振周波数にばらつきを生じさせることができる。
このように、複数の硬質板１ａについて共振周波数のばらつきを生じさせた構成であれば、工具１先端と被加工物４との間に存在するスラリー３を攪拌して砥粒３ａ密度の偏在を防止し、スラリー３中の砥粒密度の均一化を図れるといった利点もある。また、硬質板１ａが被加工物４から離隔する方向に移動することで、この移動を生じた硬質板１ａと被加工物４との間にスラリー３を引き込む吸引力が生じ、これにより硬質板１ａと被加工物４との間に砥粒３ａを効率良く導入させることができる。その結果、工具１先端と被加工物４との間の領域の中央部へのスラリー３、砥粒３ａの供給が円滑になる。複数の硬質板１ａについて共振周波数のばらつきを生じさせた構成は、加工精度の向上、加工時間の短縮に有効に寄与する。
また、このように複数の硬質板１ａについて共振周波数のばらつきを生じさせた構成とした場合は、振動する硬質板１ａ相互の位相差により、全ての硬質板１ａが同時に被加工物４に当接されることが少なくなる（あるいは無くなる）。工具１を構成する複数の硬質板１ａのうちの一部のみが被加工物４に当接される場合、超音波ホーン２から工具１に与えられた振動エネルギが、被加工物４に当接された硬質板１ａに集中的に作用することになり、硬質板１ａによる被加工物４の削り取りが促進される。その結果、硬質板１ａ、被加工物４の材質等の加工条件によっては、被加工物４の超音波加工の効率アップを図れる可能性がある。
本発明において、工具を構成する複数の硬質板について共振周波数のばらつきを生じさせるための構成としては、上述の切り欠き部の形成に限定されない。例えば硬質板相互の断面形状の違い（例えば図６）や材質の違いなども、共振周波数のばらつきを生じさせるための構成として機能させることができる。
【００３３】
なお、本発明において使用するスラリーに含有する微細砥粒の粒径は、硬質板の板厚よりも小さいことが必須である。
【００３４】
前記工具１の製造方法としては、例えば、図５に示すように、長尺のテープ状に形成された薄紙（薄紙テープ６１）に接着材を含浸させてなる接着材含浸テープ６２と、硬質板１ａの延在方向寸法を延長して長尺帯状に形成した構成の硬質材母材１ａ’とを、密着用型部材７１に貫設されている成形穴７１ａに通して積層し、この積層によって得られた積層体を接着材の硬化後に所望長さに切断することで工具１を得ることも可能である。
図５において、符号７２は薄紙テープ６１に液状接着材を供給して含浸させる接着材含浸装置である。薄紙テープ６１は、接着材含浸装置７２を経由させて液状の接着材を含浸させた状態（接着材が未硬化の状態）で密着用型部材７１に送り込む。
この製造方法の場合、工具１を連続的に効率良く製造できる利点がある。
【００３５】
本発明に係る工具は、硬質板と軟質材の積層形態を様々に変えることができる。これにより、様々な微細形状の溝を被加工物に形成できる。
例えば、図６は、断面Ｌ字形の硬質板１１ａを複数積層して断面Ｌ字形に形成した工具１１を示す。硬質板１１ａ同士の間には軟質材１ｂが層状に設けられている。
図７は、断面形状を渦巻き状にした硬質材１２ａを採用した工具１２を示す。硬質材１２ａはその全体が湾曲部とされている構成になっている。工具１２は断面外形が円形になっている。この工具１２においては、軟質材１ｂも、硬質材１２ａに沿わせるように渦巻き状に設けられる。軟質材１ｂは、硬質板１２ａの該軟質材１ｂを介して両側に位置する部分同士を接着する。
なお、図７の工具１２を超音波ホーン２に取り付けて使用する場合は、取付治具２ａとして、例えばリング体を複数に分割した構成のものなど、工具１２の外周全周に押圧力を作用させることができるように構成されたものを採用する。
【００３６】
例えば図６に例示したように、屈曲された断面形状の硬質板を用いた構成は、硬質板の断面二次モーメントの向上により、工具全体の剛性アップに有効である。
硬質板としては、図６のＬ字形のものに限定されず、例えば、図８に示すように、屈曲部１３ａ１を複数有する断面形状の硬質板１３ａを採用することも可能である。
【００３７】
なお、図８に例示した工具１３は、既述の接着材含浸シートを用いて形成される軟質部１ｂを具備する構成とは異なり、硬質板１３ａの片面に形成された樹脂コーティング層１１ｂを軟質部として機能させる構成になっている。ここで樹脂コーティング層１１ｂは薄紙が埋め込まれておらず、全体が合成樹脂で形成されているものであるが、薄紙が埋め込まれた構成のものを採用することも可能である。
この工具１３は、例えば、硬質板１３ａの片面に樹脂コーティング層１１ｂが被着された構成の積層材１３ａ２を複数重ね合わせ、取付治具２ａ（図１参照）とともに超音波ホーン２の工具取付用凹所２１に挿入し、取付治具２ａによって両側から加圧して一括状態を維持することで工具として使用する。
【００３８】
硬質板の片面に樹脂コーティング層が被着された構成の積層材の使用は、図８に例示した工具１３に限定されず、本発明に係る他の実施形態にも広く応用できる。
積層材としては、硬質板の両面に樹脂コーティング層が被着された構成のものも採用可能である。
積層材を使用する場合は、樹脂コーティング層の厚みによって、硬質板の間隔を制御することができる。
【００３９】
また、本発明に係る工具としては、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、合成樹脂を用いて硬質板１ａとは別体のシート状に形成された軟質シート材１２ｂ（軟質材）と硬質板１ａとを重ね合わせて、取付治具２ａ（図１参照）とともに超音波ホーン２の工具取付用凹所２１に挿入し、取付治具２ａによって両側から加圧して一括状態を維持することで構成されるものも含む。軟質シート材１２ｂは、硬質板１ａの間に挟み込まれるように配置する。
硬質板としては、平板状のものに限定されない。硬質板とは別体の軟質シート材１２ｂを用いて複数の硬質板を積層する構成の工具に使用する硬質板の断面形状には限定は無く、例えば、図８に例示した硬質板１３ａ等も採用可能である。
また、硬質板とは別体の軟質シート材１２ｂの使用は、本発明に係る他の実施形態にも広く応用可能であり、例えば、図７に例示した渦巻き状の硬質板１２ａを用いて工具を構成する場合にも適用可能である。
【００４０】
上述のように積層材あるいは軟質シート材を使用して、取付治具２ａによって加圧して一括状態を保持して使用される構成の工具の場合も、軟質材の存在によって工具剛性を高めることができる。
但し、工具剛性の向上の点では、軟質材を介して互いに離隔させて配置された硬質板同士や、渦巻き形の硬質材において軟質材を介して互いに離隔された部分同士を、接着材によって接着した構成の工具の方がより好適である。
【００４１】
また、本発明に係る工具としては、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、合成樹脂からなるひとつの軟質材１５１中に１又は複数の硬質材１５２が埋め込むようにして設けられた断面構造のもの（工具１５）も採用可能である。
硬質材１５２としては、その断面形状に限定は無く、図１０（ａ）に例示したピン状のもの（硬質材１５２ａ）、図１０（ｂ）に例示した湾曲板状のもの（硬質材１５２ｂ）の他、様々な断面形状のものを採用できる。図１０（ａ）の工具１５ａの場合は、ピン状の硬質材１５２ａによって被加工物４に凹形加工物として穴（有底穴）を形成できる。
このような工具１５（図１０（ａ）の工具１５との区別のため、図１０（ｂ）の工具１５に符号１５ｂを付記した）は、例えば、樹脂成形用の金型内に硬質材１５２を設置して、合成樹脂製の軟質材１５１をインサートモールド成形するなどによって簡単に製造することができる。
また、このような工具１５は、硬質材１５２の位置や断面形状の自由度を非常に大きく確保できるため、様々な形状の凹形加工部の形成に柔軟に対応できるといった利点がある。
【００４２】
本発明に係る工具において、軟質材としては、剛性が低く粘塑性的変形特性を有し、破壊強度が低いものが採用される。
被加工物を超硬合金あるいはセラミクス、硬質材を金属あるいはセラミクスとすると、硬質材と被加工物とでは、弾性率も機械的強度も伴に高いため、硬質材と被加工物の間にある砥粒には、超音波振動のエネルギが充分に伝達される。その結果、砥粒は硬質材と被加工物の両方を徐々に侵食させる。硬質材側に砥粒が食い込めば、硬質材はメタルボンドの固定砥粒のように作用し、被加工物を徐々に侵食させる。
【００４３】
一方、超音波振動エネルギが、剛性が低く粘塑性的特性を持つ軟質材を伝播する時点で吸収され振動が減衰すれば、被加工物の間に挟まれた砥粒に超音波振動エネルギが充分に伝達されなくなるので、砥粒の加工能率は、硬質材と被加工物の間の砥粒に比べて著しく小さくなる。軟質材と被加工物の間にある砥粒は、振動の過程で、軟質材と被加工物の間から放出するか、あるいは軟質材の内部に食い込む。軟質材の内部に食い込んだ砥粒は、軟質材の内部で強固に保持されず、振動による被加工物との衝撃で砥粒周辺の軟質材を破壊するようになれば、さらに加工能率は低下し、被加工物を大きく侵食することは無くなる。
【００４４】
以上より軟質材の物性値には、超音波振動のエネルギを効率よく伝えないよう、剛性が低く粘塑性的変形特性を有すること、食い込んだ砥粒を強く保持しないために破壊強度が低いことが要求される。さらに、軟質材は硬質材の把持の機能もあるので、硬質材との接着強度が高いことが要求される。
【００４５】
そこで例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂系の接着材は、曲げ弾性率が概ね１．５〜２．０ＧＰａと、金属やセラミクスのそれらの概ね１／１００と充分に小さく、曲げ強度も４０〜６０ＭＰａと小さい。しかし金属との引っ張りせん断接着強さは１７〜２７ＭＰａと小さくはない。またエポキシ樹脂系の接着材は高温（４０〜６０℃）になると曲げ強度が低下する傾向がある。積層工具と被加工物との接触界面では超音波振動エネルギにより発熱していると考えられるから、被加工物と接触するエポキシ樹脂の機械的強度や弾性率は室温時のものよりも低下し、相対的に粘性は高くなると考えられる。これによりエポキシ樹脂は超音波振動エネルギを吸収し、また砥粒が樹脂の中に食い込んだとしても強く保持することはないので、被加工物を大きく侵食することは無くなる。
以上より、エポキシ樹脂系の接着材は軟質材に適用しうる。
【００４６】
（具体例）
図１１は、板厚２０μｍのＳＵＳ製の薄鋼板をエポキシ樹脂系の接着材を滲みこませた薄紙（接着材含浸シート）を用いて１０層積層した構成の工具を用いて、１０本の平行溝を超硬合金（切削工具Ｋ１０）に形成した場合の工具に負荷する平均加工応力に対する溝加工速度を示した図であり、図１２は、同様にしてアルミナセラミクス（切削工具ＫＡ３０）に平行溝を形成した場合の結果を示した図である。
超音波振動の周波数は、２７ｋＨｚであり、使用したスラリーは、水と微量の界面活性剤の混入した液体に＃１２００（＃：メッシュ（粒度））の市販の炭化珪素砥粒を含有させたものである。
【００４７】
両図より、概ね０．６ＭＰａの加工応力で、被加工物が超硬合金の場合には加工速度４μｍ／ｍｉｎ、被加工物がアルミナセラミクスの場合には加工速度６μｍ／ｍｉｎで平行溝郡の加工ができた。
なお形成した溝の幅は、超硬合金の場合もアルミナセラミクスの場合もともに約５０μｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る１実施形態の超音波加工用工具を超音波ホーンに取り付けた状態を示す図（正断面図）である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面矢視図である。
【図３】図１の超音波加工用工具を使用した湿式の超音波加工を説明する図である。
【図４】図３の超音波加工による凹形加工部の加工原理を説明する図である。
【図５】超音波加工用工具を押し出し方式で製造する製造方法を説明する図である。
【図６】断面Ｌ字形の超音波加工用工具の断面（延在方向に垂直の断面）構造を示す図である。
【図７】断面渦巻き形の超音波加工用工具の断面（延在方向に垂直の断面）構造を示す図である。
【図８】硬質板の片面に樹脂コーティング層が被着された構成の積層材を複数重ね合わせて構成される超音波加工用工具の製造工程の１例を説明する図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は硬質板とは別体の軟質シート材を用いて複数の硬質板を積層する構成の超音波加工用工具の１例を説明する図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、合成樹脂からなるひとつの軟質材中に１又は複数の硬質材が埋め込むようにして設けられた断面構造の超音波加工用工具の１例を説明する図である。
【図１１】板厚２０μｍのＳＵＳ製の薄鋼板をエポキシ樹脂系の接着材を滲みこませた薄紙（接着材含浸シート）を用いて１０層積層した構成の工具を用いて、１０本の平行溝を超硬合金（切削工具Ｋ１０）に形成した場合の工具に負荷する平均加工応力に対する溝加工速度を示した図である。
【図１２】板厚２０μｍのＳＵＳ製の薄鋼板をエポキシ樹脂系の接着材を滲みこませた薄紙（接着材含浸シート）を用いて１０層積層した構成の工具を用いて、１０本の平行溝をアルミナセラミクス（切削工具ＫＡ３０）に形成した場合の工具に負荷する平均加工応力に対する溝加工速度を示した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１１、１２、１３，１４、１５、１５ａ、１５ｂ…超音波加工用工具、１ａ、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１５２、１５２ａ、１５２ｂ…硬質材、１ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１５１…軟質材、２…超音波ホーン、２ａ…取付治具、２１…工具取付用凹所、３…スラリー、３ａ…砥粒、４…被加工物、４１…加工面、５…凹形加工部（溝）。
【図１】
2010105142.tif 000003
【図２】
2010105142.tif 000004
【図３】
2010105142.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010105142.tif 000009
【図８】
2010105142.tif 000010
【図９】
2010105142.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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